Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektrischen Maschinen, insbesondere betrifft die Erfindung eine Reluktanzmaschine mit einem Stator und einem Rotor.
Insgesamt haben Reluktanzmaschinen Pendeldrehmomente mit unterschiedlichen Frequenzen bzw. Wellenlängen. Wenn das Drehmoment und dessen Fourieranalyse über eine Umdrehung betrachtet wird, so ist eine Pendelung mit der Nutfrequenz ausgeprägt zu erkennen. Dies bedeutet, dass das Drehmoment mit der Nutzahl N1 des Ständers schwankt. Weitere Pendelungen oder Drehmomentschwankungen erfolgen mit den Vielfachen der Nutung. Dabei ist die 3*N1-Pendelung eine weitere ausgeprägte Drehmomentschwankung. Eine weitere Welligkeit des Drehmoments ist durch die 6-fache Polpaarfrequenz gegeben. Hierbei hängt die Drehmomentwelligkeit von der Anzahl der Polpaare der Reluktanzmaschine ab und ist umso höher, je geringer die Anzahl der Polpaare ist. Bei Reluktanzmaschinen, die mit Drehstrom gespeist werden, ergibt sich die Drehmomentwelligkeit aus dem sechsfachen der Anzahl der Polpaare.
Die systembedingte Drehmomentwelligkeit bei Reluktanzmaschinen scheint bisher hingenommen worden zu sein. Bei Reluktanzmaschinen wurde bisher eine Schrägung am Stator oder Rotor vorgenommen, die um eine Ständernutteilung geschrägt sind. Diese Maßnahmen sind aber nicht ausreichend und erzeugen zusätzliche Kosten.
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Es ist Aufgabe der Erfindung das Auftreten der Drehmomentwelligkeit bei einer Reluktanzmaschine zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird mit einer Reluktanzmaschine gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Unter dem Begriff "Reluktanzmaschine" ist ein Reluktanzmotor wie auch ein Reluktanzgenerator zu verstehen. Hierbei wird ein Drehmoment im Rotor ausschließlich durch eine Reluk-tan¬kraft erzeugt, d.h. eine Kraft aufgrund eines magnetischen Widerstandes. Das System aus Stator und Rotor strebt einen minimalen magnetischen Widerstand an, so dass eine Rotationsbewegung des Rotors der Reluktanzmaschine erzeugt wird.
Die vorgeschlagene Maschine kann als Synchron-Reluktanzmaschine ausgeführt werden. Ferner kann die vorgeschlagene Maschine als Asynchron-Reluktanzmaschine ausgeführt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist jedes Wirkelement zwei Wirkflächen auf. Ein Wirkelement kann beispielsweise in dem Rotor so integriert sein, indem es eine gebogene Form aufweist und die gebogene Form zwei Wirkflächen am Umfang des Rotors bereitstellt. Die gebogene Form kann beispielsweise eine Form eines Kreissegments sein oder Teil eines zylinderförmigen Elements sein, das verformt ist. An den Enden des Elements können die Wirkflächen zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise können mit Einbettung eines Wirkelements mehrere Wirkflächen zur Verfügung gestellt werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass der Rotor acht Wirkflächen aufweist. Diese acht Wirkflächen können jeweils eine Oberfläche aufweisen, die ein Teilsegment des Rotors sind. Ferner können die acht Wirkflächen durch vier Wirkelemente bereitgestellt werden.
Ferner kann vorgesehen werden, dass die Wirkelemente achsensymmetrisch ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass jedes Wirkelement zu einer gedachten Achse, die durch das Wirkelement verläuft symmetrisch ist. In einer zweidimensionalen Betrachtung mit Schnitt durch den Rotor kann das Wirkelement symmetrisch zu einer Achse sein, die durch den Mittelpunkt des Rotors verläuft.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen werden, dass die Wirkelemente aus geblechtem Elektroblech hergestellt sind. Es handelt sich hierbei um ein weichmagnetisches Wirkelement.
Mit Vorteil kann vorgesehen werden, dass zwei Wirkelemente am Umfang des Rotors um 180° versetzt zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Vergleichmäßigung der Wirkung der Wirkelemente hervorgerufen. Mit Vorteil liegen sich die beiden Wirkelemente somit am Umfang des Rotors gegenüber.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen werden, dass mindestens eine der Wirkflächen einen ersten Winkel α=(n+1/2)*α_n1 aufweist, wobei der erste Winkel α von zwei Geraden begrenzt wird, die ausgehend von dem Rotormittelpunkt durch Begrenzungen der Wirkfläche in einer zweidimensionalen Schnittansicht des Rotors führen. Hierbei ist n eine ganze Zahl oder Null, d.h. n= 0, 1, 2, 3, etc. Ferner ist der Winkel α_n1=360°/N1 und N1 als Anzahl der Nuten des Stators oder Ständernutzahl.
Mit dieser Wahl des Winkels α ist es weiterhin möglich, Drehmomentschwankungen mit Nutfrequenz der Reluktanzmaschine zu reduzieren.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen werden, dass jeweils zwei um 180° versetzte Wirkelemente ein Paar bilden und ein erstes Paar von Wirkelementen eine erste Symmetrieachse aufweist und ein zweites Paar von Wirkelementen eine zweite Symmetrieachse aufweist, wobei sich die Lage der zweiten Symmetrieachse aus der ersten Symmetrieachse ergibt, indem die zweite Symmetrieachse um einen Winkel β=90°-α_3n1 gegenüber der ersten Symmetrieachse gedreht ist und für den Winkel α_3n1 gilt α_3n1=1/3*α_n1.
Die beiden Symmetrieachsen beziehen sich jeweils auf ein Paar von Winkelelementen und bilden für dieses Paar die Symmetrieachse, wobei jedes der Winkelelemente eine achsensymmetrische Form aufweist. Hierbei verläuft jede Symmetrieachse durch den Mittelpunkt der Reluktanzmaschine.
Die Anwendung des zweiten Winkels α_3n1, beispielsweise auch zusätzlich angewendet zu dem ersten Winkel α, reduziert die Drehmomentenwelligkeit mit der dreifachen Nutfrequenz.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reluktanzmaschine eine Synchronreluktanz-Maschine die vier Pole und 48 Nuten aufweist. Eine solche Maschine kann sowohl als Motor oder als Generator ausgeführt sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Hierbei zeigt die einzige Figur einen Querschnitt durch eine Reluktanzmaschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor weichmagnetische Wirkelemente aufweist. Hierbei handelt es sich um eine schematische Darstellung, die nicht maßstabsecht ist.
Die Figur zeigt eine Reluktanzmaschine 10 mit einem Stator 11 und einem Rotor 12. Die Reluktanzmaschine 10 weist in zweidimensionaler Schnittansicht zwei Hauptachsen 61, 62 auf, wobei die Achse 61 die d-Achse der Reluktanzmaschine 10 ist. Ferner weist die Reluktanzmaschine 10 innerhalb des Rotors 12 amagnetische oder nichtmagnetische Bereiche 63 auf. Der Rotor 12 weist an seinem Umfang 40 vier Wirkelemente 41, 42, 43, 44 auf, die aus geblechtem Elektroblech hergestellt sind und weichmagnetisch sind. Die vier weichmagnetischen Wirkelemente 41, 42, 43, 44 bilden jeweils Segmente des Rotors 12 und weisen dem Stator 11 zugewandte Flächen 45 auf, die einen Ausschnitt einer Zylinderoberfläche entsprechen. Dieser Ausschnitt oder die Fläche 45 ist jeweils durch einen ersten Winkel α=(n+1/2)*α_n1 begrenzt, wobei α_n1=360°/N1 ist. Hierbei ist N1 die Ständernutzahl und n eine natürliche Zahl oder Null. Der Winkel α wird hierbei in Bezug auf den Mittelpunkt 46 des Rotors 12 gemessen, indem jeweils eine Gerade 47, 48 durch einen der Randpunkte der Fläche 45 führt. Die beiden Geraden 47, 48 gehen von dem Mittelpunkt 46 aus und schließen den Winkel α ein.
Die beiden Wirkelemente 41, 43 liegen sich gegenüber und sind gegeneinander um 180° versetzt. Ferner liegen sich die beiden Wirkelemente 42, 44 ebenfalls gegenüber und sind gegeneinander um 180° versetzt. Die beiden Wirkelemente 41, 43 bilden ein erstes Paar von Wirkelementen und die beiden Wirkelemente 42, 44 bilden ein zweites Paar von Wirkelementen. Hierbei sind die beiden Wirkelemente 41, 43 gegenüber den beiden Wirkelementen 42, 44 um einen zweiten Winkel α_3n1 versetzt angeordnet. Hierbei kann vorgesehen werden, dass α_3n1=1/3*α_n1 ist. Der Winkel α_3n1 wird von zwei Geraden 49, 50 begrenzt, wobei die beiden Geraden 49, 50 durch den Mittelpunkt 46 des Rotors 12 führen.
Mit anderen Worten sind die Flächen 45 jeweils eine Wirkfläche mit jeweils dem Bedeckungswinkel α. Die um 180° gegenüberliegenden Wirkelemente 41, 43 sind zu den ebenfalls um 180° gegenüberliegenden Wirkelementen 42, 44 um den Winkel α_3n1 rotatorisch versetzt. Dies bedeutet, dass jeweils zwei um 180° versetzte Wirkelemente zu einem Paar zusammengefasst werden. Ein Paar von Wirkelementen 42, 44 hat eine erste Symmetrieachse 70. Ein zweites Paar von Wirkelementen 41, 43 hat eine zweite Symmetrieachse 71. Die zweite Symmetrieachse 71 ergibt sich aus der ersten Symmetrieachse 70, indem diese um den Winkel β=90°-α_3n1 gegenüber der ersten Symmetrieachse 70 gedreht wird. Für den Winkel α_3n1 gilt: α_3n1=1/3*α_n1.
Die dargestellte Reluktanzmaschine 10 weist insgesamt vier Wirkelemente 41-44 auf. Somit kann vorgesehen werden, dass zwei sich am Umfang des Rotors 12 gegenüberliegende Wirkelemente 41, 43 und 42, 44 jeweils um 180° versetzt sind und benachbarte Wirkelemente am Umfang des Rotors 12 jeweils um 90° plus α_3n1 versetzt sind. Dies bedeutet, dass sich gegenüberliegende Wirkelemente 41, 43 oder 42,44 eine Gruppe bilden und zwei Gruppen um den zweiten Winkel α_3n1 rotatorisch versetzt zueinander angeordnet sind.
Die vorgeschlagene Maschine weist in der Mitte der Hauptachse 61 (d-Achse) amagnetisches Material (µr<1.5) auf. Hierbei kann der Rotorstern 64 und/oder die Welle 65 aus amagnetischem Material ausgebildet sein.
Insgesamt wird die Drehmomentwelligkeit reduziert, insbesondere mit der dreifachen Nutfrequenz verringert oder eliminiert. Eine erste Maßnahme hierbei ist die Wahl des Winkels α, der die Nutfrequenz reduziert. Eine weitere Maßnahme ist die Wahl des Winkels α_3n1, der die Drehmomentenwelligkeit mit der 3-fachen Nutfrequenz reduziert. Weitere Maßnahmen zur Senkung der Drehmomentwelligkeit können beispielsweise anhand einer unrunden Ständerbohrung angewandt werden. Hierbei kann vorgesehen werden, dass die Rotorkontur als zweidimensionale Kontur einem Kreis entspricht, während die Statorkontur als zweidimensionale Kontur von einem Kreis abweicht.
Mit der erfindungsgemäßen Reluktanzmaschine wird eine deutliche Senkung der Drehmomentwelligkeit erreicht, so dass es möglich wird, Reluktanzmaschinen dort einzusetzen, wo sie bisher wegen zu hoher Drehmomentwelligkeit nicht zum Einsatz kamen. Er eröffnen sich somit weitere Einsatzgebiete für Reluktanzmaschinen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Reluktanzmaschine als Motor und/oder Generator in einem Elektrofahrzeug verwendet werden, insbesondere in einem Hybridelektrofahrzeug. Neben dem Gebiet der Antriebe von Elektrofahrzeugen und Elektrohybridfahrzeuge sind weitere Anwendungen denkbar, wie z.B. Anwendungen für Aufzugsantriebe, für Motoren in der Produktionstechnik und für Werkzeugmaschinen.
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